1.引言
RFID（射頻識(shí)別）技術(shù)是從上世紀(jì)80 年代走向成熟的一項(xiàng)自動(dòng)識(shí)別技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展十分迅速。其技術(shù)的覆蓋范圍廣泛，許多正在應(yīng)用中的自動(dòng)識(shí)別技術(shù)都可以歸于RFID 技術(shù)之內(nèi)，但它們的工作原理、工作頻率、技術(shù)特點(diǎn)、適用領(lǐng)域以及遵循的標(biāo)準(zhǔn)卻是不同的。 RFID 系統(tǒng)的工作頻率，主要有125KHz、13.56MHz、400MHz、860～960MHz、2.45GHz、 5.8GHz 等多個(gè)頻段。
但是，不同的國(guó)家和地區(qū)的對(duì)頻率的分配和最大發(fā)射功率的規(guī)定是不 同的。在某些地區(qū)，某些頻段的RFID 產(chǎn)品可能是被禁止使用的。其中13.56MHz的RFID國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)有ISO14443和ISO15693兩種。
ISO14443又分為Type A 和 Type B兩中。其中Type A 以飛利浦的Mifare one 為代表, Type B有代表性的是目前我國(guó)正 在發(fā)行的*。ISO14443是近耦合通訊協(xié)議，通訊距離小于10cm. ISO15693是疏耦合通訊協(xié)議，通訊距離可以達(dá)到1.5m.
在ISO15693協(xié)議中，為了從閱讀器到疏耦合IC卡的數(shù)據(jù)傳輸，不僅使用了10%的ASK調(diào)制，而且還使用了100%的ASK.此外，有兩種不同的編碼方法：一是“256中取1”，另一種是“4中取1”。
這部分電路通過(guò)Cadence spectre 仿真環(huán)境進(jìn)行了仿真，并通過(guò)SMIC CMOS 0.18um one play four metal工藝流片驗(yàn)證。
此RFID技術(shù)采用獨(dú)創(chuàng)的一項(xiàng)新的RFID芯片技術(shù)，不同于常規(guī)RFID芯片，此RFID沒(méi)有采用傳統(tǒng)EEPROM存儲(chǔ)器，而是應(yīng)用了彭澤忠博士發(fā)明的存儲(chǔ)器技術(shù)-XPMTM（超級(jí)永久性存儲(chǔ)器）技術(shù)。XPMTM，即Super Permanent Memory（超級(jí)永久性存儲(chǔ)器）。我們起名為X-RFID,X-RFID 具有高安全、低價(jià)、可靠性高和容量大等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于圖書(shū)管理、證件防偽，景點(diǎn)會(huì)議門票，產(chǎn)品防偽，電子錢包，資產(chǎn)管理，單品管理，物流和供應(yīng)鏈管理等眾多領(lǐng)域。
本文的重點(diǎn)講述X-RFID芯片高頻模擬接口模塊的設(shè)計(jì).下面第二節(jié)和第三節(jié)描述了RFID 芯片的整個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。第四節(jié)描述了13.56MHz RFID系統(tǒng)的電感耦合仿真模型和仿真結(jié)果。 第五節(jié)得出了結(jié)論。
2.應(yīng)答器芯片的工作原理和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
13.56MHz 符合ISO15693協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)的RFID的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示. 這個(gè)芯片是通過(guò)電感耦合的方式來(lái)獲得芯片工作需要的電源,所以稱為無(wú)源RFID芯片.主要結(jié)構(gòu)包括: 模擬前端 接口電路, 數(shù)字邏輯控制電路和Memory電路.此芯片只有2個(gè)PAD連接外部天線. 模擬前端接 口電路包括: 全波橋式整流電路、穩(wěn)壓電路、高壓保護(hù)電路、調(diào)制電路、解調(diào)電路、上電復(fù) 位電路、時(shí)鐘提取電路。
圖 1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖
當(dāng) RFID 標(biāo)簽芯片進(jìn)入到讀卡器的磁場(chǎng)范圍內(nèi)時(shí)，通過(guò)RFID 標(biāo)簽芯片的天線和讀卡器 天線之間的耦合，13.56Mhz 的交流正弦波信號(hào)傳到全波橋式整流電路，然后轉(zhuǎn)變成直流電 壓，通過(guò)穩(wěn)壓電路穩(wěn)壓到需要的電壓值給數(shù)字邏輯控制電路和Memory 電路作為電源使用。
由于讀卡機(jī)發(fā)出的磁場(chǎng)強(qiáng)度跟與讀卡機(jī)的遠(yuǎn)近距離有關(guān)，在離讀卡機(jī)距離近的地方磁場(chǎng)強(qiáng)度 大，離讀卡機(jī)距離遠(yuǎn)的地方磁場(chǎng)強(qiáng)度少，當(dāng)RFID 標(biāo)簽芯片離讀卡機(jī)距離很近時(shí)，由于磁場(chǎng) 強(qiáng)度很大，RFID 標(biāo)簽芯片天線兩端耦合過(guò)來(lái)的電壓值很高，如果不進(jìn)行高壓保護(hù)的話，會(huì) 對(duì)RFID 標(biāo)簽芯片內(nèi)部電路造成損壞，所以高壓保護(hù)電路必不可少。讀卡機(jī)和RFID 標(biāo)簽之間 的通訊是采用半雙工的模式,讀卡機(jī)發(fā)出的指令通過(guò)ASK 調(diào)制疊加到載波上發(fā)送給RFID 標(biāo)簽 芯片，RFID 標(biāo)簽芯片通過(guò)自己內(nèi)部的解調(diào)電路把指令解調(diào)出來(lái)送到數(shù)字邏輯控制電路進(jìn)行譯碼，然后處理相應(yīng)的指令。RFID 標(biāo)簽芯片的數(shù)據(jù)的返回通過(guò)自己內(nèi)部的調(diào)制電路把數(shù)據(jù)疊加到讀卡器發(fā)出的載波上發(fā)送給讀卡機(jī)，讀卡機(jī)通過(guò)自己內(nèi)波的解調(diào)電路把數(shù)據(jù)解調(diào)出來(lái)。這樣讀卡器和RFID 標(biāo)簽完成互相通信。
2.1 全波橋式整流電路
全波橋式整流電路把天線耦合過(guò)來(lái)的13.56MHz正弦波信號(hào)裝換成直流信號(hào)，通過(guò)穩(wěn)壓電路后提供給數(shù)字邏輯控制電路和Memory電路的VDD和GND.電路圖如圖2所示。
圖 2 全波橋式整流電路
圖中n1和n2中兩個(gè)NMOS晶體管作為開(kāi)關(guān)源極接GND,漏極接天線的兩端。而n3和n4中兩個(gè) NMOS晶體管作為二極管使用，柵極和漏極連接在一起接天線的一端，源極接電源VDD，VDD 通過(guò)一個(gè)大電容接地，此大電容為儲(chǔ)能電容，即存儲(chǔ)天線耦合過(guò)來(lái)的電荷，提供給內(nèi)部電路 作電源VDD。
其中：Vm 是天線正弦波信號(hào)的峰峰值， Vth是NMOS晶體管的閾值電壓。
2.2 時(shí)鐘產(chǎn)生電路
時(shí)鐘產(chǎn)生電路如圖3 所示,兩個(gè)反相器電路組成了鎖存器電路.信號(hào)相位相反的 13.56MHz 的正弦信號(hào)通過(guò)天線端coil1 和coil2 加到NMOS 管M7 和M8 上,當(dāng)coil1 為高電 平信號(hào)時(shí), coil2 就為低電平信號(hào),這時(shí)NMOS 管M7 導(dǎo)通,M8 截止. 當(dāng)coil1 為低電平 時(shí),coil2 就變?yōu)楦唠娖?這是NMOS 晶體管M7 截止,M8 導(dǎo)通. 通過(guò)這種交替控制,時(shí)鐘產(chǎn)生電路產(chǎn)生了13.56MHz 的方波時(shí)鐘信號(hào)。
圖3 時(shí)鐘產(chǎn)生電路
2.3 偏置產(chǎn)生電路
偏置產(chǎn)生電路如圖 4 所示, PMOS 晶體管M1 和M2 還有電容CAP 組成了偏置電路的啟動(dòng) 電路。PMOS 晶體管M3 和M4 還有NMOS 晶體管M5 和M6 和電阻R 組成了與電源電壓無(wú)關(guān)的電 流偏置。
圖4 偏置產(chǎn)生電路
由于M3 晶體管的寬長(zhǎng)比是M4 的N 倍,而由于M5 和M6 的寬長(zhǎng)比一樣,根據(jù)電流鏡的原理, 流過(guò)M5 管的電流I5 和流過(guò)M6 管的電流I6 相等.而
由于上式都是常數(shù),所以,我們可以得到一個(gè)與電源電壓VDD 有固定差值的偏置電壓Vbias。
2.4 高壓保護(hù)電路
高壓保護(hù)電路如圖 5 所示, 高壓保護(hù)電路在RFID 標(biāo)簽芯片中很重要,因?yàn)楫?dāng)讀卡器發(fā)出的磁 場(chǎng)強(qiáng)度很大時(shí),而RFID 標(biāo)簽芯片又離讀卡器天線距離很近時(shí), RFID 標(biāo)簽天線兩端coil1 和 coil2 感應(yīng)的電壓可以達(dá)到上百伏,如果不加高壓保護(hù)電路的,對(duì)芯片內(nèi)部的器件回造成損 壞。
當(dāng)coil1 和coil2 感應(yīng)的電壓經(jīng)過(guò)整流電路后,輸出的電壓如果大于M3、M4、M5、M6 和R2 的壓降時(shí)，就對(duì)coil1 和coil2 電壓進(jìn)行限壓。從而保護(hù)coil1 和coil2 的兩端電壓在正常范圍內(nèi)。
圖 5 高壓保護(hù)電路
2.5 穩(wěn)壓電路
穩(wěn)壓電路如圖 6 所示。在RFID 標(biāo)簽芯片中，需要有一個(gè)較大的電容儲(chǔ)存足夠的電荷供標(biāo)簽在輸入能量較弱的時(shí)候當(dāng)作電源來(lái)使用。如果輸入電壓過(guò)高，電源電壓升高到一定程度，穩(wěn)壓電路中瀉流電路就要起作用，把電容上多余的電荷釋放掉，以達(dá)到穩(wěn)壓的目的。圖6 中的穩(wěn)壓電路采用5 個(gè)PNP 三極管，這種穩(wěn)壓電路做到了采用最少的器件達(dá)到穩(wěn)壓的效果。 由于PNP 的Vbe 電壓在0.7v 左右，所以5 個(gè)三極管的穩(wěn)壓在3.5v 左右。當(dāng)電壓超過(guò)3.5v 后，電流會(huì)功過(guò)PNP 的發(fā)射極到集電極的通路把電荷釋放掉。很好的起到限壓的效果。
圖 6 穩(wěn)壓電路
2.6 調(diào)制電路
調(diào)制電路如圖 7 所示。MOD_DATA 是數(shù)字邏輯輸出的調(diào)制數(shù)據(jù)信號(hào).用來(lái)控制M5 管和M6 管的通斷.從而改變天線兩端的并聯(lián)諧振電路阻尼的強(qiáng)弱,實(shí)現(xiàn)幅度調(diào)制的功能.來(lái)完成從 RFID tag 到讀卡機(jī)的數(shù)據(jù)傳輸。
圖7 調(diào)制電路
3. 電路仿真結(jié)果
從圖 8 的仿真結(jié)果來(lái)看: 電路在10%和100% ASK 調(diào)制模式下,電路都能正確的解調(diào)出正 確的讀卡機(jī)發(fā)出來(lái)的指令. 并且產(chǎn)生20us 的POR 信號(hào). 在tag 返回?cái)?shù)據(jù)的時(shí)候, 電路的 modulator 功能正確,可以在天線上產(chǎn)生大于10%的ASK 調(diào)制,從而使返回的數(shù)據(jù)可以被讀卡 器接收.圖9 是tag 返回?cái)?shù)據(jù)的數(shù)據(jù)和天線的波形圖。
圖8 100%和10% ASK 調(diào)制仿真結(jié)果
圖9 調(diào)制的數(shù)據(jù)和天線的波形圖
4．結(jié)論
基于 SMIC 0.18um one poly four metal 標(biāo)準(zhǔn)CMOS 工藝設(shè)計(jì)的符合ISO15693 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議的RFID 射頻前端電路. 電路仿真的結(jié)果表明: 此射頻前端電路可以有效地從 13.56MHz 的RF 信號(hào)中恢復(fù)出直流電壓1.8v, 并提出數(shù)字部分需要的時(shí)鐘,和解調(diào)出指令數(shù) 據(jù).整個(gè)芯片的版圖照片如圖10 所示.芯片的面積為960um*600um.流片后測(cè)試發(fā)現(xiàn)在7.5A/m 場(chǎng)強(qiáng)下可以工作在12CM.滿足設(shè)計(jì)規(guī)格要求。
圖 10 整個(gè)芯片的照片
本文作者創(chuàng)新點(diǎn)：在標(biāo)準(zhǔn)0.18um CMOS process 上實(shí)現(xiàn)了滿足ISO15693 國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)的 RFID 射頻前端電路的設(shè)計(jì)，并流片驗(yàn)證通過(guò)。而且成功的把XPM 存儲(chǔ)器技術(shù)(標(biāo)準(zhǔn)CMOS 的One time program memory)集成到RFID 芯片中, 實(shí)現(xiàn)了世界上第一次采用XPM 存儲(chǔ)器技 術(shù)成功的RFID 芯片。